Переход от реактивного к превентивному управлению температурным режимом

Инвертор Helix из карбида кремния. (Изображение:Спираль)

В электрической цепи текущие электроны сталкиваются с атомами проводящего материала и заставляют эти атомы вибрировать. Тепловая энергия — это общая кинетическая и потенциальная энергия частиц в определенной области пространства, поэтому эта передача энергии от электронов к частице в виде кинетической энергии проявляется в виде тепла.

Чем больше сопротивление, тем чаще возникают удары, а это означает большее выделение тепла. Мало того, что большее сопротивление генерирует больше тепла, но и для металлов это увеличение тепла приводит к большему сопротивлению.

Задача управления температурным режимом — найти способы отвести это тепло и не допустить, чтобы эта петля обратной связи значительно снизила электрическую эффективность и производительность системы. Это также является ключом к долговечности постоянных магнитов, поскольку частицы, составляющие магнитный материал, потеряют свое магнитное выравнивание, если они наберут слишком много кинетической энергии, то есть размагнитятся.

Все это делает управление температурным режимом критически важным для двигателя электромобиля. Но наряду с основной проблемой сопротивления и нагрева электродвигателям также приходится бороться с другими источниками тепла, такими как вихревые токи внутри статора двигателя, вязкостные потери в подшипниках и высокочастотные потери, возникающие в результате быстродействующих инверторов.

Аналитика в реальном времени

Наряду с обратной связью температуры и сопротивления (сопротивление меди увеличивается на 40 процентов с каждыми 100 градусами температуры) существует также тот факт, что электрическая изоляция вокруг обмоток статора быстро ухудшается, если она становится слишком горячей. Эмпирическое правило заключается в том, что на каждые 10 градусов повышения температуры сопротивление изоляции уменьшается вдвое, а при некоторой температуре изоляция полностью разрушается.

Это делает управление температурой двигателя в электромобилях очень сложной задачей, и решать ее необходимо как можно раньше. Одна-единственная горячая точка, оставленная незамеченной, может привести к невероятно быстрому выходу из строя двигателя электромобиля с необратимыми последствиями.

Это означает, что управление температурным режимом электромобиля — это вмешательство, требующее сбора данных о состоянии двигателя в режиме реального времени, даже если используется активное жидкостное охлаждение, что является обычным явлением. Наряду с улучшением фактических характеристик двигателя и, что более важно, производительности аккумулятора, такого рода интеллект в режиме реального времени может способствовать инновациям в области управления температурным режимом, обогревом и охлаждением всего автомобиля, что отражено в таких технологиях, как Tesla Octovalve, которая объединяет несколько систем охлаждающей жидкости и отопления для централизации и рационализации управления теплом всего автомобиля.

График контура давления жидкости в канале охлаждающей жидкости. (Изображение:Спираль)

Но откуда именно берется эта информация в реальном времени? Сбор точных показаний тепла всего электродвигателя — непростая задача, особенно при разрешении, необходимом для быстрого и точного выявления горячих точек, чтобы сделать их полезными. Необходимы многочисленные текущие показания температуры внутри двигателя и охлаждающей жидкости двигателя, включая обмотки ротора и статора.

Прямые и косвенные методы

Есть два способа получить эту информацию о температуре. Первым является прямой метод, заключающийся в размещении датчиков непосредственно на месте для обеспечения измерения температуры в реальном времени, т.е. с использованием термистора или датчика термопары в прямом контакте или измерения ротора с помощью инфракрасных датчиков. Это наиболее интуитивный способ решения задачи, но он сопряжен с некоторыми серьезными сложностями:увеличением сложности, количеством точек отказа и снижением качества самих датчиков.

Двигатели с масштабируемой базовой технологией Helix. (Изображение:Спираль)

Установка и подключение многочисленных датчиков внутри двигателя представляет собой сложную задачу по подключению, упаковке и техническому обслуживанию, решение которой требует значительных дополнительных инженерных разработок и может потребовать компромисса в эффективности и производительности. А выход из строя хотя бы одного датчика может привести к получению ложных показаний, которые нарушат стратегию управления температурным режимом, что приведет к снижению производительности, эффективности и неудовлетворенности клиентов.

Здесь возникает косвенный метод:использование совместного электромагнитного и теплового моделирования. Разработав сложную модель поведения двигателя в различных электрических и тепловых условиях, мы можем объединить ее с датчиками, которые уже установлены внутри двигателя и вокруг него. Например, мы можем использовать информацию от датчиков тока и положения, которые в противном случае необходимы и также должны соответствовать жестким стандартам функциональной безопасности, в сочетании с однократным измерением температуры охлаждающей жидкости. На основании этого мы можем затем с помощью моделей в реальном времени сделать вывод о том, как выглядит распределение тепла по системе в любой момент времени.

Электротермическое моделирование

Проблема с использованием электротермического моделирования вместо датчиков заключается в том, что это косвенный метод. Это означает, что теперь вы зависите от применимости и точности вашей модели, что, в свою очередь, требует достаточного количества испытаний для ее разработки и уточнения, а также достаточной вычислительной мощности для запуска модели и получения необходимых выводов о температуре.

График контура температуры статора. (Изображение:Спираль)

В результате этот подход особенно сильно полагается на опыт команд инженеров, создающих двигатель и транспортное средство. Кроме того, как и любое другое средство измерения, оно требует понимания его точности и ограничивает соответствующие настройки.

Но преимущества этого подхода, если все сделано правильно, значительны. Для размещения датчиков и их проводки внутри и вокруг двигателя не требуется никаких компромиссов, а это означает, что данные управления температурным режимом не должны ставить под угрозу эффективность или производительность.

Этот подход также уменьшает количество отказов в двигателе и электромобиле. Крайне важно, что если модель достаточно сложна, она также может обладать значительной способностью к прогнозированию и иметь хорошие возможности для того, чтобы дать команду системе терморегулирования полностью предотвратить образование горячих точек и поддерживать двигатель в постоянном устойчивом состоянии с оптимальной производительностью.

Этот переход от реактивного к упреждающему управлению температурным режимом особенно важен для повышения производительности, эффективности и срока службы. Поддерживая равномерную, стабильную температуру и сводя к минимуму даже небольшие кратковременные сбои в таком устойчивом состоянии, системы управления температурным режимом, основанные на совместном электротермическом моделировании, станут ключом к расширению границ качества электродвигателей. Фактически, вместо того, чтобы быть косвенной заменой датчика температуры, возможно, лучше рассматривать датчики температуры как неоптимальную замену хорошего электротермического моделирования.

Эту статью написал Эндрю Кросс, директор по инновациям компании Helix (Милтон Кейнс, Великобритания). Для получения дополнительной информации посетите здесь.

Новое исследование раскрывает причины растрескивания аккумуляторов и стратегии борьбы с ними Исследователи из Стоуни-Брук пересматривают теорию наноразмерных конденсаторов